(57)【要約】【課題】  低コストな印刷法を利用する場合であっても例えばＢｉ等の低融点を示す金属を可溶体として使用することが可能であり、優れた溶断特性を示すチップ型ヒューズ素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  基板１上に印刷法により形成された可溶体２を備えるチップ型ヒューズ素子であって、可溶体２は、低融点金属の酸化物を焼結することにより形成され、その少なくとも一部が還元されて金属とされている。低融点金属の融点は、脱バインダ処理温度よりも低く、低融点金属は例えばＢｉである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に印刷法により形成された可溶体を備えるチップ型ヒューズ素子であって、
前記可溶体は、低融点金属の酸化物を焼結することにより形成され、その少なくとも一部が還元されて金属とされていることを特徴とするチップ型ヒューズ素子。
【請求項２】
前記低融点金属の融点が、脱バインダ処理温度よりも低いことを特徴とする請求項１記載のチップ型ヒューズ素子。
【請求項３】
前記低融点金属がＢｉであることを特徴とする請求項１又は２記載のチップ型ヒューズ素子。
【請求項４】
基板上に低融点金属の酸化物を含む可溶体ペーストを印刷した後、前記金属酸化物を焼結させ、
焼結した金属酸化物の少なくとも一部を還元により金属化することを特徴とするチップ型ヒューズ素子の製造方法。
【請求項５】
前記低融点金属の融点が、脱バインダ処理温度よりも低いことを特徴とする請求項４記載のチップ型ヒューズ素子の製造方法。
【請求項６】
前記低融点金属としてＢｉを用いることを特徴とする請求項４又は５記載のチップ型ヒューズ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可溶体が形成されてなるチップ型ヒューズ素子及びその製造方法に関し、特に、印刷法を用いて可溶体を厚膜に形成したチップ型ヒューズ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チップ型ヒューズ素子としては、絶縁基板上に金属被膜等からなる幅狭の可溶体を形成し、可溶体の両端に電極を接続した構造のものが知られている。このようなチップ型ヒューズ素子の可溶体は、蒸着やスパッタ等の薄膜法によって形成されることが一般的である。薄膜法は、可溶体に使用可能な材料選択の幅が広いため特性の調整が比較的容易であることや、可溶体の薄膜化及び幅狭化も容易であることから、高抵抗値を示す可溶体を実現でき、溶断時間の短いチップ型ヒューズ素子を作製するうえで有利である。その反面、薄膜法においては、真空装置等の大規模な製造設備が必要となり、製造工程が煩雑となることから、製造コストの大幅な上昇を招くという不都合を有している。
【０００３】
一方、印刷法を利用して可溶体を厚膜に形成する技術も知られている。印刷法を利用する場合、導電性材料である金属を含むペースト（可溶体ペースト）を絶縁基板上に印刷し、乾燥した後、焼成することによって可溶体が形成される。印刷法を利用することで、薄膜法を利用した場合に比べてチップ型ヒューズ素子の製造コストの大幅な低減が可能となる。可溶体の形成に印刷法を利用したヒューズとしては、例えば特許文献１に示すようにヒューズエレメント（可溶体）を銀の厚膜により構成したヒューズ素子が挙げられる。特許文献１によれば、ヒューズエレメントを銀材料により構成することで、溶断時に安定した溶断特性を得ることができ、また、厚膜技術を利用することで製造工程の簡略化が可能である。
【特許文献１】特開２００２−１４０９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら印刷法には、薄膜法を利用する場合に比較して可溶体として使用可能な材料の選択の幅が狭いため、良好な溶断特性を示すチップ型ヒューズ素子の作製が困難であるという問題がある。例えば比抵抗の高い可溶体材料としてＢｉが知られているが、Ｂｉはその融点の低さから焼成時に溶融して所望の形状を維持することが不可能であり、印刷法への適用が難しい。
【０００５】
そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、低コストな印刷法を利用する場合であっても例えばＢｉ等の低融点を示す金属を可溶体として使用することが可能であり、溶断特性に優れたチップ型ヒューズ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述の目的を達成するために、本発明に係るチップ型ヒューズ素子は、基板上に印刷法により形成された可溶体を備えるチップ型ヒューズ素子であって、前記可溶体は、低融点金属の酸化物を焼結することにより形成され、その少なくとも一部が還元されて金属とされていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るチップ型ヒューズ素子の製造方法は、基板上に低融点金属の酸化物を含む可溶体ペーストを印刷した後、前記金属酸化物を焼結させ、焼結した金属酸化物の少なくとも一部を還元により金属化することを特徴とする。
【０００８】
融点の低い金属を可溶体ペーストに含ませて可溶体の形成を試みた場合、可溶体ペースト中のバインダを除去する工程において加えられる温度（脱バインダ処理温度）で前記金属が溶融し、印刷時の形状が維持できなくなることがある。この問題は、脱バインダ処理温度より融点の低い金属を用いた場合に発生する。
【０００９】
そこで本発明では、低融点金属を酸化物の状態で可溶体ペーストに含ませる。酸化物は一般に金属より高い融点を示すので、脱バインダ処理温度において溶融することがない。このため、低融点金属を酸化物として可溶体ペーストに含ませて焼結を行うことで、焼結後の焼結体において所望の形状が維持される。
【００１０】
ただし、前記焼結後に得られる焼結体は金属酸化物からなり、可溶体として機能しない。このため、焼結後に還元処理を行い、金属酸化物の焼結体の少なくとも一部を還元して金属化する必要がある。焼結後に還元処理を行うことで低融点金属からなる領域を含む可溶体が形成される。
【００１１】
したがって、本発明によれば、従来は使用の困難であったＢｉ等の低融点金属の使用が実現され、可溶体の高抵抗化も容易となる。この結果、例えば溶断時間の短縮や低電流での確実な溶断等が実現される。また、可溶体の材料選択の幅が広がる結果、必要な特性を持つチップ型ヒューズ素子を容易に得ることができ、チップ型ヒューズ素子のバリエーション増大等の要望等に充分対応することができる。
【００１２】
さらに本発明では、可溶体を形成する際に印刷法を利用するので、真空装置等が必要な薄膜法を利用する場合に比べて大幅なコスト削減を実現するとともに、製造工程が簡略化される。なお、本発明では、通常の印刷法に比較して金属を還元析出させる工程が追加されているが、この工程追加に起因する製造コストの増加や製造工程の煩雑化は、薄膜法に比較すると軽微なものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、印刷法を利用する場合において可溶体材料として低融点金属の使用が初めて可能となり、例えば可溶体の高抵抗化が可能となる。したがって、本発明によれば、低コストな印刷法を利用した場合であっても優れた溶断特性を持つチップ型ヒューズ素子が実現される。また、可溶体の材料選択の幅が拡大する結果、チップ型ヒューズ素子の特性の制御が容易となり、バリエーション増大に対する要望に対し充分に対応することができる。さらに、従来の薄膜法を利用した場合に比べて、製造コストの大幅な削減が可能となるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用したチップ型ヒューズ素子及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
本発明を適用したチップ型ヒューズ素子は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、チップ状の基板１と、基板１上に印刷法によって厚膜に形成された可溶体２とを基本的に備えるものである。
【００１６】
基板１は、可溶体２の支持体となるものであり、例えば角形状に形成されている。基板１を構成する材料としては限定されるものではなく、この種のチップ型ヒューズ素子に用いられる材料をいずれも使用可能である。例えば、低い熱伝導性を示す絶縁材料を用いることができ、より具体的には、Ａｌ２Ｏ３、ガラスセラミック等の絶縁材料を用いることができる。
【００１７】
可溶体２は、低融点金属の酸化物を焼結した後、還元することにより析出させた低融点金属により構成される。ここで低融点金属とは、可溶体ペーストに含まれるバインダの除去に必要な温度（脱バインダ処理温度）より低い融点を示す金属のことをいう。この種の可溶体に用いられるバインダの除去に必要な温度は、通常３００℃〜４５０℃程度である。
【００１８】
低融点金属としては例えばＢｉ等が挙げられる。Ｂｉは適度に高い比抵抗を示す金属であるため、これを可溶体２に用いることで可溶体２の高抵抗化が可能となり、チップ型ヒューズ素子において低電流の溶断が可能となる。また、高い比抵抗を示すＢｉを可溶体２に用いることにより、抵抗値の大幅な低下を招くことなく可溶体２の断面積を大きくすることが可能となり、結果としてチップ型ヒューズ素子の耐パルス性向上にも寄与する。
【００１９】
可溶体２の平面形状は、図１に示すように、例えば略中央に幅狭の狭隘部を持つ形状とされるが、これに限らず様々な形状とすることができる。
【００２０】
通常、可溶体２の両端には端子電極３が接続される。端子電極３は、例えばＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ等の良導電材料を含む厚膜、前記良導電材料のめっき膜、前記良導電材料を含む樹脂等から構成される。端子電極３は、図１に示すように可溶体２と別部材として形成されてもよく、可溶体２と一体的に形成されていてもよい。
【００２１】
また、チップ型ヒューズ素子は、可溶体２を被覆する保護層４を備えてもよい。保護層４は、可溶体２に所定の電流値を超える過電流が流れることによって可溶体２が溶断した際、溶断した可溶体２を確実に絶縁するとともに、可溶体２を構成する材料の飛散を防止するものである。保護層４としては、例えばシリコーン樹脂等の樹脂、ガラス等の絶縁材料を用いることができる。
【００２２】
さらに、図２に示すように、必要に応じて基板１と可溶体２との間に蓄熱層５を配置してもよい。蓄熱層５を構成する材料としては特に限定されないが、低い熱伝導性を示す材料を用いることが好ましく、例えば樹脂やガラス等を挙げることができる。蓄熱層は、多孔質構造とすることもできる。
【００２３】
以下、図１に示す構成のチップ型ヒューズ素子の製造方法について説明する。
先ず、基板１上に可溶体２を印刷法により形成する。可溶体２の形成工程は、以下説明するように、可溶体ペーストを印刷する印刷工程、印刷された可溶体ペーストを焼成する焼成工程、及び還元により金属を析出させる還元工程を含んでいる。
【００２４】
印刷工程では、基板１上に、可溶体ペーストを例えばスクリーン印刷等により所定形状に印刷する。
【００２５】
可溶体ペーストは、可溶体２を構成するための原料粉末と有機ビヒクルとを混合して調製される。本発明では、可溶体２を構成する低融点金属を酸化物として可溶体ペーストに含ませる必要がある。低融点金属を金属として可溶体ペーストに含ませた場合、脱バインダ処理の際に低融点金属が融解し、所望形状の可溶体を得ることが不可能となるからである。具体的には、Ｂｉ酸化物を用いることができる。
【００２６】
有機ビヒクルは、金属や金属酸化物の粉末をペースト化させる役割を有し、この種のペーストに用いられるものがいずれも使用可能である。有機ビヒクルは、バインダを有機溶剤中に溶解することによって調製されるものである。バインダとしては、特に限定されず、例えば、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等、各種バインダから適宜選択すればよい。有機溶剤も限定されず、テルピネオール、ブチルカルビトール、アセトン、トルエン等、各種有機溶剤から適宜選択すればよい。さらに、可溶体ペーストの物性を調節するために、分散剤等の各種添加剤を加えてもよい。
【００２７】
次に、焼成工程を実施する。焼成工程は、印刷された可溶体ペースト中のバインダを除去するとともに、可溶体ペースト中の金属酸化物を焼結させる工程である。
【００２８】
焼成工程における熱処理温度は、用いる金属酸化物の種類に応じて適宜決定すればよいが、熱処理温度が高すぎると、金属酸化物が溶融して可溶体の形状を維持できなくなるおそれがある。したがって、ここでの熱処理温度は金属酸化物の融点より低温とすることが好ましい。例えば可溶体ペースト中にＢｉ２Ｏ３等のＢｉ酸化物を含ませる場合、熱処理温度は例えば６００℃〜８２０℃とすることが好ましい。
【００２９】
焼成時の雰囲気は、酸素を含有する雰囲気であれば特に限定されないが、例えば大気雰囲気とすればよい。
【００３０】
前記焼成工程の後、還元工程を実施する。還元工程は、焼成工程において焼結させた金属酸化物の少なくとも一部を還元し、金属化する工程である。還元工程を実施することにより、低融点金属を含む可溶体２が形成される。
【００３１】
金属酸化物から金属を析出させるためには、例えば還元雰囲気中で熱処理を行う。還元雰囲気とは、可溶体ペーストに含ませた金属酸化物及び焼成後に生じた金属酸化物を還元可能なガスを含む雰囲気のことをいい、例えばＨ２、メタン、Ｎ２、Ａｒ２、ＣＯやこれらの混合ガス等が挙げられる。中でもＨ２、メタン等を用いることが好ましい。
【００３２】
また、還元工程での熱処理の温度は、還元すべき金属酸化物の種類等に応じて適宜決定すればよいが、熱処理温度が高すぎると、金属が溶融して可溶体２の形状が維持できなくなるおそれがある。したがって、ここでの熱処理温度は、金属の融点より低温とすることが好ましい。例えばＢｉ２Ｏ３から金属Ｂｉを還元析出させる場合、熱処理温度は２５０℃〜２６０℃とすることが好ましい。
【００３３】
次に、基板１に端子電極３を形成する。例えば端子電極３を厚膜で形成するには、例えばＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ等を含有する導電ペーストを印刷し、焼成すればよい。なお、端子電極３は可溶体２を形成する前に形成してもよく、また、端子電極３の焼成と可溶体２の焼成工程とを同時に行ってもよい。
【００３４】
次に、形成した可溶体２を被覆するように保護層４を形成する。以上のようにして、図１に示す構造のチップ型ヒューズ素子が作製される。
【００３５】
以上のように、本発明によれば、従来の印刷技術を利用したチップ型ヒューズ素子では使用困難であった低融点金属、例えばＢｉ等を可溶体２の構成材料として選択することができるようになる。このため、高い抵抗値を示し、低電流溶断の可能なチップ型ヒューズ素子を実現することができる。
【００３６】
また、可溶体２の材料選択の幅が広がる結果、抵抗値や溶断時間の調整が比較的容易となり、様々な特性を持つチップ型ヒューズ素子を容易に作製できる。さらに、本発明では印刷法を利用しているため、薄膜法を利用する場合に比べて製造工程の大幅な簡略化が実現され、製造コストを低減することができる。
【００３７】
なお、前述の説明では、焼結後の金属酸化物を完全に還元し、可溶体２の全体を低融点金属とした構成を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち可溶体２は、焼結後の低融点金属の金属酸化物の全体を還元することなく、その少なくとも一部が還元されて金属化していればよい。これを図示したのが図３である。
【００３８】
図３に示す可溶体２は、金属酸化物を焼結して焼結体を形成した後、焼結体の一部（表面）を還元して金属化することにより、金属酸化物からなる金属酸化物層２ａと金属層２ｂとの２層構造となっている。還元工程においては可溶体２の表面から基板１側へ向けて還元が進むため、金属酸化物を還元を完全に行わなかった場合に図３に示す２層構造の可溶体２が得られる。この構造の可溶体２を持つチップ型ヒューズ素子においては、可溶体２が金属のみからなる場合に比べてさらなる高抵抗化を図ることができる。
【００３９】
また、還元雰囲気や熱処理温度等の還元条件を制御することによって、可溶体２における金属酸化物層２ａと金属層２ｂの膜厚比は容易に制御できる。このため、可溶体２の抵抗値を任意に制御することができ、例えば金属層２ｂの膜厚を薄く、金属酸化物層２ａの膜厚を相対的に厚くすることで、可溶体２の抵抗値をより高めることができる。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。なお、本発明が以下の実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００４１】
＜実施例＞
先ず、可溶体ペーストを作製した。Ｂｉ２Ｏ３粉末及び有機ビヒクルを各組成となるように秤量し、３本ロールミルで混練し、可溶体ペーストを得た。有機ビヒクルは、バインダとしてエチルセルロールと、有機溶剤としてターピネオールとを含むものである。なお、Ｂｉ２Ｏ３と有機ビヒクルの配合比は、得られた抵抗体ペーストがスクリーン印刷に適した粘度となるように設定した。
【００４２】
次に、印刷工程において、基板上に、前記可溶体ペーストを、図１に示す形状にスクリーン印刷して乾燥させた。可溶体ペーストを印刷する際には、焼成後の可溶体の膜厚：２０μｍ、幅狭部の幅：１００μｍ、長さ：２．５ｍｍとなるように塗布した。基板としては、アルミナ板を用いた。その後、焼成工程を実施した。焼成工程では、この基板をベルト炉に入れ、大気中でペースト中のバインダを除去し、Ｂｉ２Ｏ３を焼結させた。この時の熱処理温度は７５０℃、その温度での保持時間は５分間とした。
【００４３】
続いて、還元工程を実施した。還元工程では、Ｂｉ２Ｏ３を還元するために、還元雰囲気中で熱処理を行った。還元条件は、水素雰囲気、熱処理温度２５８℃、その温度での保持時間は1時間とした。この還元処理によって金属Ｂｉを析出させ、金属Ｂｉを含有する可溶体を形成した。
【００４４】
その後、可溶体の両端に接続するように電極を形成した。電極の構成材料はＡｇ熱硬化性導電性樹脂である。電極はディッピングすることにより形成した。さらに、可溶体を被覆するように保護膜としてシリコーンゴムを成膜し、実施例のチップ型ヒューズ素子を得た。
【００４５】
＜比較例１＞
先ず、可溶体ペーストを作製した。Ａｇ粉末及び有機ビヒクルを各組成となるように秤量し、３本ロールミルで混練し、可溶体ペーストを得た。有機ビヒクルは、バインダとしてエチルセルロースと、有機溶剤としてターピネオールとを含むものである。なお、Ａｇと有機ビヒクルの配合比は、得られた抵抗体ペーストがスクリーン印刷に適した粘度となるように設定した。
【００４６】
次に、基板上に、前記可溶体ペーストを実施例１と同様の形状となるようにスクリーン印刷して乾燥させた。基板としては、アルミナ板を用いた。この基板をベルト炉に入れ、大気中で焼成を行い、ペースト中のバインダを除去した。この時の熱処理温度は９００℃、その温度での保持時間は５分間とした。
【００４７】
その後、可溶体の両端に接続するように電極を形成した。電極の構成材料はＡｇ熱硬化性導電性樹脂である。電極はディッピングすることにより形成した。さらに、可溶体を被覆するように保護膜としてシリコーンゴムを成膜し、比較例１のチップ型ヒューズ素子を得た。比較例１のチップ型ヒューズ素子の可溶体は、Ａｇを含有することになる。
【００４８】
＜比較例２＞
可溶体を作製する際に還元工程を実施しなかったこと以外は、実施例１と同様にしてチップ型ヒューズ素子を作製した。比較例２のチップ型ヒューズ素子の可溶体は、Ｂｉ酸化物を含有することになる。
【００４９】
＜チップ型ヒューズ素子の溶断特性の評価＞
得られた実施例、比較例１及び比較例２のそれぞれにつき、可溶体の抵抗値を測定した。また、得られたチップ型ヒューズ素子の溶断時間の測定を行った。溶断時間は、可溶体に４Ａの電流を流し始めてから可溶体が切断されるまでの時間とした。結果を表１に示す。
【表１】
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【００５０】
実施例１のチップ型ヒューズ素子の可溶体においては、可溶体ペーストを印刷したときの形状がそのまま維持されていた。また、Ｂｉを析出させた実施例１と析出させない比較例２との比較から、焼結後に還元処理を実施することによって可溶体材料としてＢｉの使用が可能となることが分かる。さらに、還元析出させたＢｉを可溶体に用いた場合（実施例）、Ａｇを用いた従来型のチップ型ヒューズ素子（比較例１）に比べ、可溶体の抵抗値が適度に高い値を示しており、溶断時間が短くなっている。
【００５１】
以上の結果から、本発明を適用したチップ型ヒューズ素子においては、可溶体に低融点金属であるＢｉが使用可能であることが確認されるとともに、溶断特性の向上が可能となることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を適用したチップ型ヒューズ素子の一例を示す図である。（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は概略断面図である。
【図２】本発明を適用したチップ型ヒューズ素子の他の例を示す概略断面図である。
【図３】本発明を適用したチップ型ヒューズ素子のさらに他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  基板、２  可溶体、３  端子電極、４  保護層、５  蓄熱層
【図１】
2007066671.tif 000004
【図２】
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【図３】
2007066671.tif 000006